¿Por qué las estrellas aparecen como círculos, no como puntos?

Excluyendo al Sol, las estrellas están tan lejos que su diámetro angular es efectivamente cero. Sin embargo, cuando les tomas fotos, las estrellas más brillantes aparecen como círculos, no como puntos. ¿Por qué?

En teoría, cualquier estrella, independientemente del brillo, debe golpear como máximo un pequeño punto de cualquier medio que se utilice para tomar la fotografía. ¿Por qué los puntos cercanos del medio también responden? ¿La "luz" excesiva "sangra" en los puntos cercanos y, de ser así, ¿la "sangría" es la misma para las cámaras digitales y no digitales?

¿Tiene algo que ver con la lente? ¿La lente expande un solo punto de luz en un círculo pequeño, dependiendo del brillo?

Me encontré con esto al intentar responder https://astronomy.stackexchange.com/questions/22474/how-to-find-the-viewing-size-of-a-star que efectivamente pregunta: ¿cuál es la función (si la hay)? que relaciona el brillo de la estrella con el tamaño del disco de una estrella en una película fotográfica (o medios digitales)?

Nota: Me doy cuenta de que las magnitudes visuales y fotográficas de una estrella pueden ser diferentes, y supongo que la respuesta se basará en la magnitud fotográfica.

EDITAR: Gracias por todas las respuestas, todavía las estoy revisando. Aquí hay algunos enlaces útiles adicionales que encontré:

• Fotometría (astronomía) en Wikipedia

• http://www.chiandh.eu/astphot/object.shtml , especialmente la discusión sobre "unidades de imagen en bruto" y "ancho completo a la mitad como máximo" (FWHM)

• http://www.astro-imaging.com/Tutorial/MatchingCCD.html y su discusión sobre FWHM

Cada vez que la luz pasa un límite, se difracta , o se dobla, debido a la propiedad ondulante de la luz que interactúa con ese límite. Una abertura en un sistema óptico, típicamente circular o en forma de círculo, es uno de esos límites.

La función de dispersión de puntos (PSF) describe cómo interactúa la luz con la apertura , o cuánto y en qué grado se propaga una fuente de luz puntual como resultado del paso a través del sistema óptico. El PSF está determinado por la geometría del sistema (incluida la forma y el tamaño de la abertura; la forma (s) de las lentes; etc.) y la longitud de onda de la luz que pasa a través del sistema óptico. El PSF es esencialmente la respuesta de impulso del sistema óptico a una función de impulso , un punto de luz de una cantidad de energía unitaria que es infinitamente estrecha o estrechamente limitada en el espacio 2D.

^{La convolución de la luz del sujeto con la función de dispersión de puntos da como resultado una imagen producida que parece más dispersa que el objeto original. Por el usuario de Wikipedia Default007, de Wikimedia Commons . Dominio publico.}

Para una apertura perfectamente redonda en un sistema de imagen teóricamente ópticamente perfecto, la función PSF se describe mediante un disco Airy , que es un patrón tipo diana de anillos concéntricos de regiones alternas de interferencia constructiva (donde las ondas de la luz interactúan constructivamente para "suma") e interferencia destructiva (donde las ondas de la luz interactúan para anularse).

Es importante tener en cuenta que el patrón del disco Airy no es el resultado de cualidades imperfectas de la lente, o errores en las tolerancias en la fabricación, etc. Es estrictamente una función de la forma y el tamaño de la apertura y la longitud de onda de la luz que pasa a través de ella. Por lo tanto, el disco Airy es una especie de límite superior en la calidad de una sola imagen que puede ser producida por el sistema óptico ¹ .

^{Una fuente puntual de luz que pasa a través de una abertura redonda se extenderá para producir un patrón de disco Airy. Por Sakurambo , de Wikimedia Commons . Dominio publico.}

Cuando la abertura es lo suficientemente grande, de modo que la mayor parte de la luz que pasa a través de la lente no interactúa con el borde de la abertura, decimos que la imagen ya no está limitada por difracción . Las imágenes no perfectas producidas en ese punto no se deben a la difracción de la luz por el borde de apertura. En los sistemas de imágenes reales (no ideales), estas imperfecciones incluyen (pero se limitan a): ruido (térmico, patrón, lectura, disparo, etc.); errores de cuantificación (que pueden considerarse otra forma de ruido); aberraciones ópticas de la lente; errores de calibración y alineación.

Notas:

1. Existen técnicas para mejorar las imágenes producidas, de modo que la calidad óptica aparente del sistema de imágenes es mejor que el límite de disco de Airy. Las técnicas de apilamiento de imágenes , como la imagen de la suerte , aumentan la calidad aparente al apilar varias (a menudo cientos) diferentes imágenes del mismo sujeto juntas. Si bien el disco Airy parece un conjunto difuso de círculos concéntricos, realmente representa una probabilidadde donde una fuente puntual de luz que ingresa al sistema de la cámara aterrizará en la cámara. El aumento resultante en la calidad producida por el apilamiento de imágenes se debe al aumento del conocimiento estadístico de las ubicaciones de los fotones. Es decir, el apilamiento de imágenes reduce la incertidumbre probabilística producida por la difracción de la luz a través de la abertura como lo describe el PSF, al arrojar un exceso de información redundante al problema.

2. Con respecto a la relación en tamaño aparente con el brillo de la estrella o fuente puntual: una fuente de luz más brillante aumenta la intensidad ("altura") del PSF, pero no aumenta su diámetro. Pero el aumento de la intensidad de la luz que entra en un sistema de imágenes significa que más fotones iluminan los píxeles de límite de la región iluminada por el PSF. Esta es una forma de "floración de la luz", o aparentemente "derramando" la luz en píxeles vecinos. Esto aumenta el tamaño aparente de la estrella.

El tamaño del "punto" se ve afectado por la "Función de extensión de punto" (PSF) dependiente de la longitud de onda del sistema de lentes que está utilizando.

La difracción de la luz, que determina el límite de resolución del sistema, difumina cualquier objeto similar a un punto a un cierto tamaño y forma mínima llamada Función de dispersión de punto. El PSF, entonces, es la imagen tridimensional de un objeto similar a un punto en el plano de la imagen. El PSF suele ser más alto que ancho (como un fútbol americano parado sobre su punta), porque los sistemas ópticos tienen una resolución peor en la dirección de profundidad que en la dirección lateral.

La PSF varía según la longitud de onda de la luz que está viendo: las longitudes de onda más cortas de luz (como la luz azul, 450 nm) dan como resultado una PSF más pequeña, mientras que las longitudes de onda más largas (como la luz roja, 650 nm) producen una PSF más grande y, por lo tanto, peor resolución Además, la Apertura numérica (NA) de la lente del objetivo que usa afecta el tamaño y la forma de la PSF: un objetivo de alta NA le proporciona una PSF pequeña y agradable y, por lo tanto, una mejor resolución.

Sorprendentemente, el PSF es independiente de la intensidad del punto. Esto es cierto tanto para la astrofotografía como para la microscopía.

Hay algunas razones por las que puedo pensar:

1. El más común es la lente. Hacer que una lente enfoque en el infinito puede ser complicado en algunas lentes que le permiten enfocar el infinito "pasado". Pero incluso si puede obtenerlo exacto, la lente en sí misma puede extenderse un poco.
2. Otra razón es que es posible que la luz llegue a más de un sitio del sensor, ya sea porque el sitio del sensor (o los granos de película) no están perfectamente alineados con cada estrella, o porque la proyección de la estrella sobre el sensor o la película es en realidad más grande que un solo sitio de sensor o grano de película.
3. La atmósfera también extiende la luz proveniente de las estrellas, lo que conduce a un círculo más grande para cada una.

Tomé un área pequeña de su foto y la amplié (muestreada por un factor de 10).

Marqué dos regiones interesantes. La región A indica una estrella, borrosa por la óptica aproximadamente en un área de 3x3 píxeles con un pico de diámetro 2-3 píxeles, diría. Este es el efecto borroso como se describe en la respuesta de scottbb .

Sin embargo, la estrella brillante en la posición B es mucho más ancha y también muestra saturación en el centro. Supongo que esta ampliación adicional es causada por el sangrado de píxeles o simplemente por la saturación.

¿Es el "sangrado" lo mismo para las cámaras digitales y no digitales?

Probablemente no. Las cámaras no digitales tienen un rango de contraste mucho más alto, por lo que la saturación puede ser un problema menor y el sangrado de píxeles, que es un efecto electrónico, puede no ocurrir en absoluto.

Sin embargo, con un esquema de grabación HDR dentro de una cámara digital, uno debería poder corregir la ampliación adicional y hacer que el punto B se vea como el punto A solo mucho más brillante.

Para cambiar el tamaño del efecto de desenfoque, puede jugar con la apertura de su cámara y las estrellas de la imagen (o puntos impresos en papel, si las estrellas no están disponibles o un pequeño agujero en cartón oscuro con una fuente de luz detrás muy lejos).

Bien estudiado por George Airy, Astrónomo Real, publicado en 1830. Ahora llamado disco de Airy o patrón de Airy, una fuente puntual de imágenes de estrellas con anillos alternos de luz y oscuridad que rodean un disco central. El diámetro del primer anillo oscuro es de 2,44 longitudes de onda para una lente bien corregida con apertura circular. Este es un hecho clave cuando se trata del poder de resolución de una lente. Es difícil, pero no imposible, imaginar estos anillos concéntricos. La mayoría de las imágenes amalgaman estos anillos.

John Strutt, 3er Barón Rayleigh (Astrónomo Real) publicó lo que ahora se llama el Criterio de Rayleigh que cubre el máximo poder teórico de resolución de una lente. “La potencia de resolución en líneas milimétricas es 1392 ÷ número f. Así f / 1 = 1392 líneas por milímetro máximo. Para f / 2 = 696 líneas por milímetro. Para f / 8 = 174 líneas por milímetro. Tenga en cuenta: el poder de resolución para aperturas mayores que f / 8 es mayor que la película que pretende ser útil en la imagen, puede explotar. Además, el poder de resolución se mide creando imágenes de líneas paralelas con espacios en blanco entre ellas. Cuando finalmente se ve que las líneas gobernadas se fusionan, su espacio es el límite de resolución para ese sistema de imágenes. Pocos lentes han superado el Criterio de Rayleigh.